架空电力线路巡线机器人的研究综述

文章编号 2 2 2

架空电力线路巡线机器人的研究综述Ξ

张运楚 梁自泽 谭民

中国科学院自动化研究所复杂系统与智能科学重点实验室 北京

摘要 回顾了国内外架空电力线路巡线机器人的研究现状 分析了几种巡线机器人的结构特点及存在的问题 详细探讨了巡线机器人避障!工作电源及线路故障探测等关键技术 最后 展望了架空线路巡线机器人的发展趋势和应用前景

关键词 巡线机器人 架空电力线 故障探测 避障

中图分类号 ×° 文献标识码

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≠∏ 2 ∏ 2 ×

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Αβστραχτ:× √ √ √ × √ ∏ ∏ √ 2 ∏ √ ∏ ∏ ∏ ƒ √ √ √

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1引言(Ιντροδυχτιον)

采用高压和超高压架空电力线是长距离输配电力的主要方式 电力线及杆塔附件长期暴露在野外 因受到持续的机械张力!电气闪络!材料老化的影响而产生断股!磨损!腐蚀等损伤 如不及时修复更换 原本微小的破损和缺陷就可能扩大 最终导致严重事故 造成大面积的停电和巨大的经济损失 因此 电力公司要定期对线路设备巡检 及时发现早期损伤和缺陷并加以评估 然后根据缺陷的轻重缓急 以合理的费用和正确的优先顺序 安排必要的维护和修复 从而确保供电可靠性

目前 对输电导线进行巡检的方法主要有两种 地面目测法 采用肉眼或望远镜对辖区内的电力线进行观测 由于输电线路分布点多面广!地理条件复杂 巡线工人需要翻山越岭!涉水过河!徒步或驱车巡检 这种方法劳动强度大 工作效率和探测精度低 可靠性差 航测法 直升飞机巡线 直升飞机沿输电线路飞行 工作人员用肉眼或机载摄像设备观测和记录沿线异常点的情况 这种方法尽管距离接近 提高了探测效率和精度 但电力线从观察者或摄录设备的视野中快速通过 增加了技术难度 运行费用较高≈

移动机器人技术的发展 为架空电力线路巡检提供了新的移动平台 巡线机器人能够带电工作 以一定的速度沿输电线爬行 并能跨越防震锤!耐张线夹!悬垂线夹!杆塔等障碍 利用携带的传感仪器对杆塔!导线及避雷线!绝缘子!线路金具!线路通道等实施接近检测 代替工人进行电力线路的巡检工作 可以进一步提高巡线的工作效率和巡检精度 因此 巡线机器人成为巡线技术研究的热点

2国内外研究现状(Ρεσεαρχηστατυσατηομεανδαβροαδ)

巡线机器人的研究始于 世纪 年代末 日本!加拿大!美国等发达国家先后开展了巡线机器人

第 卷第 期 年 月机器人 ×∂

≥

Ξ基金项目 国家 计划资助项目 收稿日期

的研究工作 年 东京电力公司的≥ 等人研制了光纤复合架空地线 ° • 巡检移动机器人≈ 如图 所示 该机器人利用一对驱动轮和一对夹持轮沿地线 ° • 爬行 能跨越地线上防震锤!螺旋减震器等障碍物 遇到线塔时 机器人采用仿人攀援机理 先展开携带的弧形手臂 手臂两端勾住线塔两侧的地线 构成一个导轨 然后本体顺着导轨滑到线塔的另一侧

待机器人夹持轮抱紧线塔另一侧的地线后 将弧形手臂折叠收起 以备下次使用

图 弧形手臂巡线机器人

ƒ 2

机器人运动控制有粗略和精确定位两种模式

粗略控制是把线塔和地线的资料数据 线塔的高度!

位置 地线长度 线路上附件数量等 预先编制好程

序输入机器人

据此控制机器人的行走和越障 精确定位控制则根据传感器反馈信息进行控制

机器人携带的损伤探测单元采用涡流分析方法探测光纤复

合架空地线 ° • 铠装层的损伤情况

并把探测数据记录到磁带上

美国× ≤公司 年研制了一台悬臂自治巡线机器人原型≈ 如图 所示 它能沿架空导线长距离爬行 执行电晕损耗!绝缘子!结合点!压接头等视

觉检查任务

对探测到的线路故障数据预处理后 传送给地面人员 当机器人遇到杆塔时 利用手臂采用仿人攀援的方法从侧面越过杆塔

图 × ≤悬臂巡线机器人

ƒ × ≤

年日本法政大学的 ∏ 等人

开发了电气列车馈电电缆巡检机器人≈ 见图

机器人采用多关节小车结构和/头部决策 尾部跟随0的仿生控制体系 以 的速度沿电缆平稳爬行 并能跨越分支线!绝缘子等障碍物

图 蛇形巡线机器人

ƒ ≥ 2

机器人由六对左右对称!相互联结的小车组成

每个单体小车有两个电机 一个用于行走驱动 另一

个用于控制联结前后小车的旋转关节的关节角

左

机 器 人 年 月

右小车采用具有自保安功能的磁锁系统联结 磁锁系统用永久磁铁将左右小车牢牢锁紧 使两车橡胶驱动轮抱住馈电电缆 由行走电机驱动沿电缆平稳爬行

当机器人遇到分支线!绝缘子等障碍物时 每对小车上磁锁系统中的电磁铁通电 顺次将磁锁打开 机器人再改变两侧旋转关节的关节角 使左右小车分开 小车依次通过障碍物后 控制两侧旋转关节使左右小车合拢 电磁铁断电 磁锁再次锁紧 机器人恢复正常行走状态

图 是泰国 ∏ π √

× 2 × ∏ 的≥ ° ∏ ∏ 等人 年设计的一台自给电巡线机器人原型≈ 该机器人采用电流互感器从爬行的电力线路上获取感应电流 作为机器人的工作电源

从而解决了巡线机器人长时间驱动的动力问题 并初步实现了根据摄像机图像判断电力线上绝缘子等障碍物位置的视觉导航功能 不过 该试验型巡线机器人仅能在两线塔间的电力线上爬行 无避障能力

图 自给电巡线机器人

ƒ ≥ 2 ∏

由日本≥ 公司生产的电力线损伤探测器也

采用了单体小车结构如图 所示

图 损伤探测机器人

ƒ ⁄

它能在地面操作人员的遥控下

沿电力线行走 利用车载探测仪器探测线路损伤程度及准确位置 将获取的数据和图片资料存储在数据记录器中 地面工作人员可回放复查

进一步确定损伤情况 探测器不具备越障功能 遇到线路附件等障碍物时便自动停止前进 该损伤探测器于 年赢得了≥ ∏2

大奖≈

加拿大魁北克水电研究院的≥ ∏ 等人 年开始了 ± ∂ 遥控小车 见图

的研制工作≈

遥控小车起初用于清除电力传输线地线上的积冰 逐渐发展为用于线路巡检!维护等多用途移动平台 第三代原型机结构紧凑 ≅ ≅ 仅重 驱动力大 抗电磁干扰能力强 能爬 β的斜坡 通信距离可达 小车采用灵活的模块化结构 安装不同的工作头即可完成架空线视觉和红外检查!压接头状态评估!导线和地线更换!导线清污和除冰等带电作业 已在工作电流为 的 ∂电力线上进行了多次现场测试 但是 ± ∂ 无越障能力

只能在两线塔间的电力线上工作 目前 研究组正在开发具有越障功能的自治移动小车 实验结果表明 新一代 ±

∂ 能在无人干预的情况下跨越障碍物 巡检范围达

图 ± ∂ 遥控小车

ƒ

± ∂ 国内关于架空电力线路巡线机器人研究的报道

较少 年武汉水利电力大学的吴功平教授研制出了架空高压线路巡线小车

小车采用单体三驱动轮结构 具有稳定的行走功能和越障功能 能顺利越过绝缘子!防振锤!悬垂线夹等主要障碍物 并利用携带的近距离红外故障诊断仪完成线路的诊断

巡线小车的行走!越障通过人工遥控加机械控制器来实现 目前 该研究组正在进行智能化程度较高!越障能力强的自治巡线机器人的研制工作≈ 中科院

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